Введение к работе
Актуальность темы. Крупномасштабная реструктуризация угольной промышленности, начавшаяся в 90-х годах во всех угледобывающих регионах России, привела к закрытию большого числа нерентабельных и неперспективных угольных шахт. По данным ГУРШ, на 01.01.2010г. ликвидировано, а также находится на стадии ликвидации 201 угледобывающее предприятие, в числе которых 186 шахт и 15 разрезов.
Ко времени остановки добычных работ метанообильность шахт Кузнецкого угольного бассейна составляла от 10 до 130 м3/мин метана, Воркуты - 40-100 м3/мин, Восточного Донбасса - 10-55 м3/мин, Челябинского бассейна, Приморья и Сахалина - 10-20 м3/мин метана. После остановки систем проветривания шахт, все образовавшиеся подземные пустоты, за счёт выделения метана, заполняются газом. Газовыделение в нарушенном углепородном массиве продолжается в течение многих лет после окончания добычных работ, и, по мнению ряда экспертов, подтвержденному зарубежным опытом извлечения метана из закрытых шахт, этот период может оцениваться десятилетиями. По ориентировочным прогнозам объёмы метана в техногенных коллекторах могут в 2-3 раза превышать объём газа, выделившегося при добыче угля за весь период эксплуатации шахты, что в ряде случаев подтверждается мировой практикой.
Эмиссия шахтного метана по техногенным трещинам в атмосферу негативно сказывается на экологической обстановке. Известно, что метан, как парниковый газ, теплоотражающая способность которого в 21 раз превышает аналогичный показатель для углекислого газа, вносит существенный вклад в изменение климата Земли. Таким образом, ликвидированные угольные шахты неизбежно наносят ущерб окружающей среде.
Кроме того, безвозмездно теряются значительные объёмы метана, являющегося ценным углеводородным сырьём и относительно экологичным топливом. В целом, учитывая масштабы реструктуризации угольной промышленности, метан, содержащийся в техногенных коллекторах ликвидированных шахт РФ, представляет собой достаточно внушительный ресурс, экономическую эффективность извлечения и использования которого показательно демонстрирует опыт зарубежных стран.
Экологизация отрасли путём сокращения шахтных выбросов парниковых газов в атмосферу, повышение уровня метанобезопасности на подработанных территориях, вовлечение метана ликвидированных угольных шахт в энергетический баланс, а также выполнение международных обязательств в рамках Киотского протокола делают данное научное направление актуальным и важным для угледобывающих регионов России.
Целью диссертационной работы является геоэкологическое обоснование выбора перспективных участков и технологических параметров извлечения метана из ликвидированных угольных шахт, обеспечивающих его эффективное использование и снижение выбросов парниковых газов в атмосферу.
Идея диссертационной работы состоит в учёте особенностей геомеханики подработанного углепородного массива для определения перспективных участков извлечения метана из техногенных коллекторов ликвидированных угольных шахт с использованием средств компьютерного моделирования.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Разработана графоаналитическая модель выработанных пространств ликвидированной шахты, базирующаяся на учёте взаимного расположения отработанных участков свиты пластов, позволяющая выбирать перспективные участки извлечения метана из отработанных горных блоков угольных шахт.
-
Создан метод объёмного представления отработанных участков шахты для оценки наличия газопроводной связи между техногенными коллекторами, позволяющий определять глубину заложения и конструкцию газодобычных скважин, что в комплексе с утилизацией каптируемого газа позволит снизить экологический ущерб окружающей среде.
-
Разработана модель формирования притока метана в техногенный коллектор из окружающего углепородного массива, базирующаяся на фундаментальных законах массопереноса газа в массиве горных пород, с учётом сорбции, позволяющая прогнозировать объёмы эффективного отбора газа.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются использованием представительного массива научных и статистических данных о размерах зон техногенного трещинообразования в подработанном массиве для оценки наличия газопроводной связи между выработанными пространствами свиты пластов, а также корректным использованием фундаментальных законов газовой динамики при моделировании массопереноса метана в углепородном массиве с целью прогноза величины его притока в техногенный коллектор.
Научная новизна исследований заключается в разработке графоаналитической модели выработанных пространств ликвидированной шахты, а также метода объёмного представления отработанных участков для оценки наличия газопроводной связи между техногенными коллекторами, что позволяет обоснованно выбирать перспективные участки и параметры заложения (глубина, интервалы перфорации) метанодобычных скважин в отработанные горные блоки угольных шахт.
Практическая значимость исследований состоит в разработке методики выбора участков извлечения метана и обоснования параметров заложения скважин на полях ликвидированных угольных шахт, направленной на обеспечение условий для извлечения кондиционного метана, утилизация которого приводит к снижению выбросов парниковых газов.
Реализация выводов и результатов работы. Результаты проведенных исследований использованы в рабочем проекте «Бурение, оборудование и эксплуатация дегазационных скважин с целью извлечения и использования метана из выработанного пространства», утвержденном Приказом Росэнерго №321 от 16.08.2006 г.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях 2005-2011 гг., таких как: S XI Всероссийское совещание «Современные проблемы развития и освоения угольной сырьевой базы России» (г. Ростов на Дону, ВНИГРИуголь - 2005 г.); S Кузбасский международный угольный форум. Научно-практическая конференция «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, КВК «Экспо-Сибирь» -2005, 2006 гг.); S Научный симпозиум «Неделя горняка» (г. Москва, МГГУ - 2005-2011 гг.); S Семинар кафедры «Инженерная защита окружающей среды» МГГУ (2006, 2010,2011г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в т.ч. Патент РФ на изобретение и 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 50 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 249 наименований. Работа содержит 5 приложений.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., проф. Шску В.М., д.т.н.,
проф. Каркашадзе Г.Г., к.э.н. Каплунову Ю.В., горн. инж. Дурнину М.К.,
коллективу кафедры ИЗОС МГГУ за научно-методическую помощь при
выполнении диссертационной работы. Также автор признателен техническому
руководству ОАО «ОУК «Южкузбассуголь», специалистам шахты
«Осинниковская» и Администрации города Осинники Кемеровской области за содействие при проведении диссертационных исследований.
